1、计算机工作原理创新/赢势/赢天下1.计算机的发展与作用计算机的发展与作用 第1台数字电子计算机诞生 1946年美国宾州大学研制成功第1台数字电子计算机-ENIACPhoto: van Pelt Library, U Penn.18 000 电子管电子管,6000 开关开关占地面积占地面积: 150 m2重量重量: 30 吨吨功耗功耗: 140 KW运算速度运算速度: 5000 次次/s平均无故障时间平均无故障时间 7 min外部程序控制外部程序控制第14代计算机的对比 代代 别别年年 代代使用的元器件使用的元器件使用的软件类型使用的软件类型主要应用领域主要应用领域第第1代代20世纪世纪40年代
2、年代中期中期50年代年代末期末期CPU：电子管：电子管内存：内存：磁鼓磁鼓使用机器语言和使用机器语言和汇编语言编写程汇编语言编写程序序科学和工程计科学和工程计算算第第2代代20世纪世纪50年代年代中、后期中、后期60年代中期年代中期CPU：晶体管：晶体管内存：内存：磁芯磁芯使用使用FORTRAN等等高级程序设计语高级程序设计语言言开始广泛应用开始广泛应用于数据处理领于数据处理领域域第第3代代20世纪世纪60年代年代中期中期70年代年代初期初期CPU：SSI，MSI内存：内存：SSI，MSI的半导体存储器的半导体存储器操作系统、数据操作系统、数据库管理系统等开库管理系统等开始使用始使用在科学计算
3、、在科学计算、数据处理、工数据处理、工业控制等领域业控制等领域得到广泛应用得到广泛应用第第4代代20世纪世纪70年代年代中期以来中期以来CPU：LSI、VLSI内存：内存：LSI、VLSI的半导体存的半导体存储器储器软件开发工具和软件开发工具和平台、分布式计平台、分布式计算、网络软件等算、网络软件等开始广泛使用开始广泛使用深入到各行各深入到各行各业，家庭和个业，家庭和个人开始使用计人开始使用计算机算机计算机的特点与作用计算机有哪些特性？ 计算机的特性：计算机的特性：（1）速度）速度快快（2）存储容量）存储容量大大（3）通用性通用性好好 不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进
4、不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进行处理行处理 不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算 不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能（4）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力2.计算机的逻辑组成计算机系统计算机系统计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件运算器运算器控制器控制器输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统数据库管理系统数据库管理系统程序语言处理系统程
5、序语言处理系统文字处理文字处理通信通信娱乐娱乐计算机是一个复杂系统计算机硬件是计算计算机硬件是计算机系统中所有实际机系统中所有实际物理装置的总称物理装置的总称计算机软件是指在计算机中计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档数据和相关的文档计算机硬件的逻辑结构 1 经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机）运算器和控制器运算器和控制器输入设备输入设备输出设备输出设备存储器存储器（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）冯冯.诺依曼计算机工作原理：程序存储和程序控制诺依曼计算机工作原理：程序存储和程序控制中
6、央处理器中央处理器CPU(Central Processing Unit)计算机硬件的逻辑结构 2 现代计算机的逻辑结构中央处理器中央处理器(运算器及其控制运算器及其控制)外存储器外存储器内存储器内存储器输出设备输出设备总线总线(bus)输入设备输入设备I/O接口接口I/O接口接口外存储器接口外存储器接口控制器控制器控制器控制器控制器控制器CPU控制器控制器memorystorageI/O设备通过设备通过I/O接接口口与各自的控制器与各自的控制器连接，然后由控制连接，然后由控制器与器与I/O总线相连总线相连(1) 中央处理器 什么是处理器什么是处理器(processor)？ 能能高速执行指令，
7、完成二进制数据的算术或高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是：的部件，特点是： 由数字电路组成，结构非常复杂由数字电路组成，结构非常复杂 所有电路都制作在大规模集成电路芯片上所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米仅几个平方厘米)，称为，称为“微处理器微处理器” (microprocessor)Intel 4004 chipIntel 8080 chip存储器存储器中央中央处理器处理器存储数据存储数据和指令和指令执行指令执行指令处理数据处理数据指令，数据指令，数据处理结果处理结果CPU的任务 CPU的主要任务是执行指令，它
8、按指令的的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作规定对数据进行操作 (2) 存储器功能：功能： 储存以二进位形式表示的程序和数据储存以二进位形式表示的程序和数据分类：内存储器分类：内存储器/外存储器外存储器内存储器（内存储器（RAM）(简称内存或主存简称内存或主存)外存储器外存储器(简称简称外存外存或辅存或辅存)存取速度存取速度很快很快较慢较慢存储容量存储容量较小较小(因单位成本较高因单位成本较高) 很大很大(因单位成本较低因单位成本较低) 性质性质断电后信息消失断电后信息消失断电后信息保持断电后信息保持用途用途存放已经启动运行的程序存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据和需要立
9、即处理的数据长期存放计算机系统中几乎所长期存放计算机系统中几乎所有的信息有的信息与与CPU关关系系CPU所处理的指令及数据所处理的指令及数据直接从内存中取出直接从内存中取出程序及相关数据必须先送入内程序及相关数据必须先送入内存后才能被存后才能被CPU使用使用011010011010101000001000000001000011001001111011111存储内容存储内容地地 址址存储单元存储单元主存储器(RAM)的功能与原理主存是主存是CPU可直接访问的可直接访问的存储器，用于存放供存储器，用于存放供CPU处理的指令处理的指令和数据和数据0110100110101010存存储储内内容容00
10、001000000001000011001001111011111存储存储单元单元地址地址地址码地址码存储单元地址寄存器地址译码器读写控制电路读读/写的数据写的数据读读/写控制信号写控制信号(64位)(36位)(5) 总线(bus) 功能：功能： 用于连接用于连接CPU、内存、外存和各种、内存、外存和各种I/O设备并在设备并在它们之间传输信息的一组它们之间传输信息的一组共享的共享的传输线及其控传输线及其控制电路，总线分为：数据总线、地址总线和控制电路，总线分为：数据总线、地址总线和控制总线制总线 分类：分类： CPU总线（或前端总线）总线（或前端总线） ：用于连接：用于连接CPU和和内存的总线
11、内存的总线 I/O总线：连接内存和总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的设备（包括外存）的总线总线3.计算机工作原理计算机工作原理计算机工作原理计算机工作原理-“存储程序控制” 原理 将问题的解算步骤编制成为将问题的解算步骤编制成为程序程序，程序连同它所处，程序连同它所处理的数据都用理的数据都用二进位表示二进位表示并并预先预先存放在存储器存放在存储器中中 程序运行时，程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，相应的数据，按指令操作码的规定按指令操作码的规定，对数据进行运，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止算处理，直到程序执行完毕为止 CPU从
12、内存中逐条从内存中逐条读取该程序的指令及读取该程序的指令及相关的数据相关的数据将指令的运算处理将指令的运算处理结果送回内存保存结果送回内存保存任务完成后，将处任务完成后，将处理得到的全部结果成理得到的全部结果成批传送到外存以长久批传送到外存以长久保存保存外存储器外存储器内存储器内存储器CPU任务启动时，执行任务启动时，执行该任务的程序和数据该任务的程序和数据从外存成批传送到内从外存成批传送到内存存指令1指令2指令k指令n程序程序数据1数据2数据m数据数据CPU逐条逐条执行指令执行指令,按按指 令 要 求 完指 令 要 求 完成 对 数 据 的成 对 数 据 的运算和处理运算和处理指令与指令系统
13、instruction setsoftwarehardware指令是什么？ 指令就是命令，它用来规定指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指执行什么操作。指令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的成的 指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成：部分组成： 操作码操作码操操 作作 数数 地地 址址指出指出CPU应执行何种操作的一应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、个命令词，例如加、减、乘、除、取数、存数等除、取数、存数等 指出该指令所操作指出该指令所操作(处理处理)的的数据或
14、者数据所在位置数据或者数据所在位置 指令在计算机中的执行过程1.取指令：CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器2.指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里3.执行指令3.1 取操作数3.2 进行运算4.修改指令计数器，决定下一条指令的地址1 取指令取指令4 修改指修改指令计数器令计数器3 执行指令执行指令2 指令译码指令译码指令执行周期指令执行周期通常，每一步需要通常，每一步需要1个或几个时个或几个时钟周期才能完成钟周期才能完成 关于指令系统 CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，即它的机器语言4.计算机数据常用表示方法计算机数据常用表示
15、方法23计数与进制 “数”是一种信息，它有大小（数值），可以进行四则运算 “数”有不同的表示方法。日常生活中人们使用的是十进制数，但计算机使用的是二进制数，程序员还使用八进制和十六进制数十进制数 语法规则语法规则 每一位可使用十个不同数字表示（每一位可使用十个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9） 低位与高位的关系是：逢低位与高位的关系是：逢10进进1 各位的权值是各位的权值是10的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是10 ） 标志：标志： 尾部加尾部加“D”或缺省或缺省 语义规则语义规则204.96=21020101410091016102二进制数语法规则语法规则 每一位使用两
16、个不同数字表示（每一位使用两个不同数字表示（0、1），即每一），即每一位使用位使用 1 个个“比特比特”表示表示 低位与高位的关系是：逢低位与高位的关系是：逢2进进1 各位的权值是各位的权值是 2 的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是2 ） 标志：标志： 尾部加尾部加B语义规则：按权展开语义规则：按权展开101.01 B =122021120 021122 5.25二进制对应十进制数据 1B： 11B: 111.01B: 1111B: 1011.11B:十六进制数 语法规则语法规则 每一位使用十六个数字和符号表示（每一位使用十六个数字和符号表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、
17、C、D、E、F ） 逢逢16进进1, 基数为基数为16 各位的权值是各位的权值是16的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是16 ） 标志：标志：尾部加尾部加H 语义规则：按权展开语义规则：按权展开 F5.4H=15161 + 5160 + 4161 = 245.25十六进制对应十进制数据 1H: 10A.BH: ABC.8H: 111H:八进制数 语法规则语法规则 每一位使用每一位使用8种数字表示（种数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7） 逢逢8进进1, 基数为基数为8 各位的权值是各位的权值是8的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是8 ） 标志：标志：尾部加尾部加Q 语义规则：按权展开语义规
18、则：按权展开 75.4Q=781 + 580 + 481 = 61.5八进制对应十进制数据 1Q: 106.7Q: 111Q:不同进位制数的比较十进制二进制八进制十六进制零0000000壹1000111贰2001022叁3001133肆4010044伍5010155陆6011066柒7011177捌81000108玖91001119拾10101012A拾壹11101113B拾贰12110014C拾叁13110115D拾肆14111016E拾伍15111117F32不同进制数的相互转换 原理：原理：真值真值(语义语义)相等相等 十进制十进制-二进制二进制 十进制十进制-十六进制十六进制 二进制二
19、进制 -十进制十进制 十六进制十六进制-十进制十进制整数整数:除权取余除权取余小数小数:乘权取整乘权取整按权展开按权展开十进制数 二进制数 转换方法：整数和小数分开转换方法：整数和小数分开转换转换 整数部分：除以整数部分：除以2 2逆序取余逆序取余 小数部分：乘以小数部分：乘以2 2顺序取整顺序取整 例如：例如：29.687529.6875 11101.1011 B 注意：十进制小数注意：十进制小数( (如如0.63)0.63)在转换在转换时会出现时会出现二进制无穷小数，这时只二进制无穷小数，这时只能取近似值能取近似值, ,即实数存储在计算机即实数存储在计算机中会存在误差，整数存储在计算机中会
20、存在误差，整数存储在计算机中没有误差中没有误差整整数数部部分分小小数数部部分分十六进制数与二进制数的互换 转换方法：与八、二进制互换的方法类似转换方法：与八、二进制互换的方法类似例例1：35A2.CFH 0011 0101 1010 0010.1100 1111B例例2：11 0100 1110.1100 11B 34E.CCH十六进制数十六进制数 二进制数二进制数 十六进制数十六进制数 二进制数二进制数 0 0000 8 10000 0000 8 1000 1 0001 9 1001 1 0001 9 1001 2 0010 A 1010 2 0010 A 1010 3 0011 B 101
21、1 3 0011 B 1011 4 0100 C 1100 4 0100 C 1100 5 0101 D 1101 5 0101 D 1101 6 0110 E 1110 6 0110 E 1110 7 0111 F 1111 7 0111 F 1111n1 1位十六进制数与位十六进制数与4 4位二进制数的对应关系：位二进制数的对应关系：十六进制数与二进制数的互换练习 2F3.D3H: B ADFH: B 1011101.101B: H 1011111.10111B: H八、二进制互换的方法类似 1个八进制数与个八进制数与3位二进制数相对应位二进制数相对应 例如：例如： 1075.06Q： 0
22、01000111101.000110B 1011101.1011B: 1 3 5.54Q各种进制的互相转换 以十进制和二进制为标准，进行互换以十进制和二进制为标准，进行互换 345.75转换成二进制、八进制和十六进制转换成二进制、八进制和十六进制的数的数 1075.06Q转换成转换成16进制、十进制的数进制、十进制的数数值信息的表示 如何解决如何解决分而治之分而治之(divide and conquer) 将有理数分类将有理数分类 整数整数(integer) 无符号数整数无符号数整数(unsigned integer) 有符号整数有符号整数(signed integer) 浮点数浮点数(flo
23、at)3839(1)无符号整数的表示 特点：没有符号位，仅能表示正整数特点：没有符号位，仅能表示正整数 N位范围：位范围：000111 (真值：真值：02n-1) 计算步骤计算步骤 转换为二进制转换为二进制 高位补足高位补足0 举例：用举例：用八位不带符号整数八位不带符号整数表示表示(43)10 第一步：第一步： 101011 第二步：第二步：0010101140(2)有符号整数的表示原码 规则规则 第一位为符号位，正整数符号位为第一位为符号位，正整数符号位为0，负整数符号为，负整数符号为1； 第二位开始为绝对值，表示法与无符号整数相同第二位开始为绝对值，表示法与无符号整数相同 N位范围：位范
24、围：111011 (真值：真值： -(2n-1-1) 2n-1-1) 计算步骤计算步骤 将绝对值表示成二进制将绝对值表示成二进制 设置符号位，除符号位外高位补足设置符号位，除符号位外高位补足0 举例举例 +43的的8位原码为：位原码为： 00101011 - 43的的8位原码为：位原码为： 10101011 +0的的8位原码为：位原码为：00000000 -0的的8位原码为：位原码为：1000000041(2)有符号整数的表示原码 讨论讨论 范围：范围：-(2n-1-1)+(2n-1-1)，只有，只有2n-1个数个数 缺点：整数缺点：整数0的表示重复的表示重复 000(真值：真值：+0) 10
25、0(真值：真值：-0) 0的重复表示不仅仅是浪费问题，给信息处理带来很大问的重复表示不仅仅是浪费问题，给信息处理带来很大问题题加法与减法运算规则不统一，增加了成本；需要加加法与减法运算规则不统一，增加了成本；需要加法运算器和减法运算器才能实现加法运算和减法运算法运算器和减法运算器才能实现加法运算和减法运算 如何应对：在计算机内部采用如何应对：在计算机内部采用“补码补码”表示有符号表示有符号整数整数（3）有符号整数补码的计算方法）有符号整数补码的计算方法 转换规则转换规则 正整数的补码和其原码相同。正整数的补码和其原码相同。 负整数的补码为：其原码除符号位外，其余各位负整数的补码为：其原码除符号
26、位外，其余各位取反加取反加1得来。得来。 计算步骤计算步骤 将绝对值表示成二进制将绝对值表示成二进制 根据整数符号根据整数符号 正：设置符号位为正：设置符号位为0，高位，高位补足补足0 负：第负：第2位向左每位取反，末尾加位向左每位取反，末尾加1，设置符号位设置符号位142(3)有符号整数的机器内表示补码 例例1: - 43用用8位补码表示位补码表示所以：所以：- 43 的的8位补码为：位补码为：11010101 例例2： - 64用用8位补码表示位补码表示所以：所以：- 64 的的8位补码为：位补码为：11000000 讨论讨论 整数整数0表示唯一：表示唯一：00000000(+0，-0补码
27、相同补码相同) 范围：范围： -2n-12n-1-1(1)43 = 0101011（7位）位）(2)取反：取反： 1010100(3)加加1： 1010101(1)64 = 1000000(2)取反：取反： 0111111(3)加加1： 1000000带符号整数表示方法的优缺点分析： 原码表示法原码表示法优点：与日常使用的十进制表示方法一致，简单直优点：与日常使用的十进制表示方法一致，简单直观观缺点：加法与减法运算规则不统一，增加了成本；缺点：加法与减法运算规则不统一，增加了成本；整数整数0 0 有有“0000000000000000”和和“1000000010000000”两种表示形式，两种
28、表示形式，不方便不方便 补码表示法补码表示法优点：加法与减法运算规则统一优点：加法与减法运算规则统一, ,全部采用加法运算，全部采用加法运算，没有没有“-0-0”, ,可表示的数比原码多一个可表示的数比原码多一个缺点：不直观，人使用不方便缺点：不直观，人使用不方便 结论：带符号整数在计算机内不采用结论：带符号整数在计算机内不采用“原码原码”而采而采用用“补码补码”的形式表示！的形式表示！补码取消了减法运算 (M-n)补码=m补码+(-n)补码 例如： （3-4）补=3补+（-4）补 3补=00000011 （-4）补=11111100 3补+（-4）补=11111111 （3-4）补=（-1）补46（解释-128的补码）整数的机器内表示 整数表示举例整数表示举例(理解：同一个二进制，采用不同方法解析，理解：同一个二进制，采用不同方法解析，得到结果不同，为什么在得到结果不同，为什么在C中要定义变量类型中要定义变量类型)整数的值整数的值(十进制十进制)8位二进制代码位二进制代码无符号无符号带符号带符号(原码原码)带符号带符号(补码补码)0000 00000+000000 00011+11。0111 1111127+1271271000 000012801281000 00011291127。1111 11112551271THANKS谢谢观看
